לייזר אולטרה-מהיר ייחודי חלק שני

ייחודילייזר אולטרה מהירחלק שני

פיזור ופיזור דופק: פיזור עיכוב קבוצתי
אחד האתגרים הטכניים הקשים ביותר שנתקלים בהם בעת שימוש בלייזרים אולטרה-מהירים הוא שמירה על משך הפולסים הקצרים במיוחד הנפלטים בתחילה על ידילייזרפולסים אולטרה-מהירים רגישים מאוד לעיוות זמן, מה שהופך את הפולסים לארוכים יותר. השפעה זו מחמירה ככל שמשך הפולס הראשוני מתקצר. בעוד שליזרים אולטרה-מהירים יכולים לפלוט פולסים שנמשכים 50 שניות, ניתן להגביר אותם בזמן באמצעות מראות ועדשות כדי להעביר את הפולס למיקום המטרה, או אפילו פשוט להעביר את הפולס דרך האוויר.

עיוות זמן זה מכומת באמצעות מדד הנקרא פיזור מושהה קבוצתי (GDD), המכונה גם פיזור מסדר שני. למעשה, ישנם גם מונחי פיזור מסדר גבוה יותר שעשויים להשפיע על התפלגות הזמן של פולסי לייזר אולטרה-פארטיים, אך בפועל, בדרך כלל מספיק רק לבחון את השפעת ה-GDD. GDD הוא ערך תלוי תדר שהוא ביחס ליניארי לעובי של חומר נתון. לאופטיקה של העברה כגון רכיבי עדשה, חלון ואובייקטיב יש בדרך כלל ערכי GDD חיוביים, דבר המצביע על כך שפולסים דחוסים יכולים לתת לאופטיקה של העברה משך פולס ארוך יותר מאלה הנפלטים על ידי...מערכות לייזררכיבים בעלי תדרים נמוכים יותר (כלומר, אורכי גל ארוכים יותר) מתפשטים מהר יותר מרכיבים בעלי תדרים גבוהים יותר (כלומר, אורכי גל קצרים יותר). ככל שהפולס עובר דרך יותר ויותר חומר, אורך הגל בפולס ימשיך להתארך עוד ועוד לאורך זמן. עבור משכי פולס קצרים יותר, ולכן רוחבי פס רחבים יותר, השפעה זו מוגזמת עוד יותר ויכולה לגרום לעיוות משמעותי בזמן הפולס.

יישומי לייזר אולטרה-מהירים
ספקטרוסקופיה
מאז הופעתם של מקורות לייזר אולטרה-מהירים, ספקטרוסקופיה הייתה אחד מתחומי היישום העיקריים שלהם. על ידי צמצום משך הפעימה לפמטו-שניות או אפילו אטו-שניות, ניתן כיום להשיג תהליכים דינמיים בפיזיקה, כימיה וביולוגיה שהיו בלתי אפשריים לצפייה מבחינה היסטורית. אחד התהליכים המרכזיים הוא תנועה אטומית, והתצפית על תנועה אטומית שיפרה את ההבנה המדעית של תהליכים בסיסיים כגון ויברציה מולקולרית, דיסוציאציה מולקולרית והעברת אנרגיה בחלבונים פוטוסינתטיים.

ביודהימות
לייזרים אולטרה-מהירים בעלי עוצמת שיא תומכים בתהליכים לא ליניאריים ומשפרים את הרזולוציה עבור הדמיה ביולוגית, כגון מיקרוסקופיה רב-פוטונית. במערכת רב-פוטונית, על מנת לייצר אות לא ליניארי ממדיום ביולוגי או מטרה פלואורסצנטית, שני פוטונים חייבים לחפוף במרחב ובזמן. מנגנון לא ליניארי זה משפר את רזולוציית ההדמיה על ידי הפחתה משמעותית של אותות פלואורסצנציה ברקע שמטרידים מחקרים של תהליכים של פוטון יחיד. רקע האות הפשוט מודגם. אזור העירור הקטן יותר של מיקרוסקופ רב-פוטוני גם מונע פוטוטוקסיות וממזער נזק לדגימה.

איור 1: דיאגרמה לדוגמה של מסלול קרן בניסוי מיקרוסקופ רב-פוטונים

עיבוד חומרי לייזר
מקורות לייזר אולטרה-מהירים חוללו גם מהפכה במיקרו-עיבוד לייזר ובעיבוד חומרים בשל האופן הייחודי שבו פולסים אולטרה-קצרים מקיימים אינטראקציה עם חומרים. כפי שצוין קודם לכן, כאשר דנים ב-LDT, משך הפולס האולטרה-מהיר מהיר יותר מסולם הזמן של דיפוזיה של חום לתוך הסריג של החומר. לייזרים אולטרה-מהירים מייצרים אזור מושפע חום קטן בהרבה מאשר...לייזרים פעמו ננו-שניות, וכתוצאה מכך הפסדי חתך נמוכים יותר ועיבוד שבבי מדויק יותר. עיקרון זה ישים גם ליישומים רפואיים, שבהם הדיוק המוגבר של חיתוך לייזר אולטרה-פריט מסייע בהפחתת נזק לרקמה הסובבת ומשפר את חוויית המטופל במהלך ניתוח לייזר.

פולסים אטו-שניים: עתיד הלייזרים האולטרה-מהירים
ככל שהמחקר ממשיך לקדם לייזרים אולטרה-מהירים, מפותחים מקורות אור חדשים ומשופרים עם משכי פולסים קצרים יותר. כדי לקבל תובנות לגבי תהליכים פיזיקליים מהירים יותר, חוקרים רבים מתמקדים ביצירת פולסים אטו-שניות - כ-10-18 שניות בטווח אולטרה סגול קיצוני (XUV). פולסים אטו-שניות מאפשרים מעקב אחר תנועת אלקטרונים ומשפרים את הבנתנו את המבנה האלקטרוני ומכניקת הקוונטים. בעוד ששילוב לייזרי אטו-שניות XUV בתהליכים תעשייתיים טרם עשה התקדמות משמעותית, מחקר מתמשך והתקדמות בתחום כמעט בוודאות ידחפו טכנולוגיה זו אל מחוץ למעבדה ולתחום הייצור, כפי שקרה עם פמטו-שניות ופיקו-שניות.מקורות לייזר.